某住宅區(qū)高邊坡穩(wěn)定性分析與支護設(shè)計

葛　泉

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 后勤保障處,山東 東營 257000)

一直以來邊坡穩(wěn)定性問題都是巖土工程研究領(lǐng)域中一項重要內(nèi)容。它涉及公路、鐵路、礦山、水電等諸多工程領(lǐng)域,能否正確評價邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到工程建設(shè)資金的使用效率和人民的財產(chǎn)生命安全[1]。當(dāng)巖質(zhì)邊坡的高度大于30 m時就形成了一般意義上的高邊坡,這種類型的邊坡由于高度等因素會對其邊坡穩(wěn)定性造成重要影響。尤其是在建筑場區(qū)或住宅區(qū)周圍形成的高邊坡,一旦穩(wěn)定性得不到有效保障,產(chǎn)生變形或者崩塌,對周圍建筑物安全及人民的生命財產(chǎn)安全都會形成潛在的威脅和危害。因此,針對住宅區(qū)高邊坡進行穩(wěn)定性分析,設(shè)計邊坡支護方案,對保障人民生命財產(chǎn)安全和周圍建筑物安全具有重要意義。鄭穎人、趙尚毅(2004年)將有限元強度折減法應(yīng)用于均質(zhì)土坡與巖質(zhì)邊坡[2],曾亞武、田偉明(2005年)將極限平衡方法與有限元數(shù)值計算方法結(jié)合起來分析邊坡穩(wěn)定性[3],巨能攀等(2009年)基于過程模擬與控制進行邊坡穩(wěn)定性分析后進行支護優(yōu)化設(shè)計[4],余壽全等(2017年)在穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)上采用“預(yù)應(yīng)力錨索+錨筋樁+鋼筋混凝土擋墻”的支護方案[5]。但對于住宅區(qū)高邊坡的支護,尚無非常成熟完備的解決方案,仍需根據(jù)其工程地質(zhì)特征在穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計。本文以煙臺某建筑住宅區(qū)挖方高邊坡為例,通過對其地質(zhì)條件和巖土特征進行深入研究,采用相應(yīng)的計算方法對高邊坡進行穩(wěn)定性分析評價,并在此基礎(chǔ)上提出具有針對性地邊坡支護設(shè)計方法,為其他相似的高邊坡支護設(shè)計與施工提供參考和借鑒。

1　工程概況

煙臺市地處山東半島東北部,地形為低山丘陵區(qū),山丘起伏和緩,溝壑縱橫交錯。山地和丘陵面積占全市總面積的76%,比重較大。隨著經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化發(fā)展,城市由平原地帶向山區(qū)丘陵地帶延伸延展,不可避免的對山區(qū)丘陵地帶的土地資源進一步開發(fā)利用,因此而產(chǎn)生的建筑場區(qū)和住宅區(qū)的高邊坡數(shù)量越來越多,規(guī)模也越來越高,越來越陡。

煙臺某房地產(chǎn)公司擬在煙臺市芝罘區(qū)建造某住宅區(qū)工程,因工程建設(shè)需要,在場區(qū)南側(cè)形成挖方永久性邊坡。邊坡北側(cè)為規(guī)劃擬建高層住宅和幼兒園,邊坡與區(qū)內(nèi)建筑之間間隔區(qū)內(nèi)規(guī)劃路一條,路寬7.0 m,路線以挖方的形式通過。

該邊坡呈圓弧形,長度180 m,高度18 m,建筑邊坡類型為巖質(zhì)邊坡,巖體類型為IV類,按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)[6]和本邊坡的重要性,邊坡工程安全等級為二級。

本場區(qū)地形起伏較大,場地地勢呈南高北低、西高東低,坡向朝南,坡度55°,坡高約18.0 m,坡比為1∶0.8。

1.1　工程地質(zhì)條件

場地地貌單元為丘陵。場地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)較簡單,局部含第四系土層多為素填土,基巖為主,下伏基巖主要為古元古界粉子山群崗崳組二段(Pt1fG2)變粒巖,局部穿插有云母片巖、花崗巖等。場區(qū)東部巖層層理產(chǎn)狀為278°∠54°,西部巖層產(chǎn)狀為350°∠42°。結(jié)構(gòu)面傾角多為54°和42°,節(jié)理裂隙發(fā)育。各層情況如下:

(1)全風(fēng)化變粒巖。灰綠色,巖體構(gòu)造、結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本破壞,其中主要的礦物成分有黑云母、石英、長石、角閃石,本層巖石風(fēng)化成砂土狀。場區(qū)較普遍分布。厚度:1.20～12.20 m,平均4.01 m。

(2)強風(fēng)化變粒巖?；液稚?粒狀變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,其中主要的礦物成分有黑云母、石英、角閃石、長石,節(jié)理裂隙較為發(fā)育,RQD=0。局部夾石英碎塊。巖石堅硬程度為極軟巖,巖體破碎,巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。場區(qū)較普遍分布。厚度:0.80～20.00 m,平均8.88 m。

(3)中風(fēng)化變粒巖。灰褐色,粒狀變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,其中主要的礦物成分有石英、長石、黑云母,節(jié)理裂隙較為發(fā)育,巖芯多呈短柱狀,RQD=30～70,風(fēng)化裂隙較發(fā)育。屬軟巖,較完整,巖體基本質(zhì)量等級為IV級。場區(qū)較普遍分布。厚度:0.90～24.00 m,平均8.48 m。

1.2　地下水條件

勘察期間,勘察深度范圍內(nèi)各鉆孔未見地下水穩(wěn)定水位。考慮到本工程位于山坡下,場地內(nèi)有沖溝通過,在雨季,場地內(nèi)不排除有季節(jié)性地下水存在。

1.3　區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地震

勘察過程中,對場地內(nèi)出露巖體進行現(xiàn)場踏勘,暫未發(fā)現(xiàn)有斷裂分布。綜合地質(zhì)構(gòu)造資料,場地內(nèi)無全新活動斷裂通過,根據(jù)地震臺觀測及歷史記載,區(qū)域自建立地震網(wǎng)至今沒有五級以上地震發(fā)生,場區(qū)相對穩(wěn)定。

2　邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性分析是邊坡支護設(shè)計的前提,目前可以采用的方法主要有極限平衡法、強度折減法、數(shù)值模擬法等。鑒于此建筑住宅區(qū)高邊坡獨特的地質(zhì)條件和巖土性質(zhì),邊坡變形破壞模式的復(fù)雜機理,應(yīng)采用有效的計算方法評價其邊坡穩(wěn)定性,并有針對性地對高邊坡進行加固支護。

2.1　邊坡計算剖面

選取最不利情況剖面為邊坡計算剖面,邊坡幾何特征如圖1所示。

圖1　計算剖面

2.2　力學(xué)參數(shù)

根據(jù)本工程的《巖土工程勘察報告》,結(jié)合鄰近工程的施工經(jīng)驗,巖層的巖土參數(shù)選用見表1。

表1　邊坡力學(xué)參數(shù)選用

2.3　穩(wěn)定性計算

影響邊坡穩(wěn)定性的因素很多,包括巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、裂隙發(fā)育情況、地下水作用、荷載作用、巖體的抗剪強度、地震作用等。本工程主要考慮邊坡在自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性問題。利用極限平衡法及莫爾——庫倫準(zhǔn)則進行分析,計算巖體邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)[7-10]。巖體邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計算,計算結(jié)果k=1.03。

(1)

Ni=Gicosθi.

(2)

Ti=Gisinθi.

(3)

Ri=Nitanφi+cili.

(4)

式中,k為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù);Gi為第i條塊滑體單位寬度上的滑體重力,kN/m;Ni為第i條塊滑體重力在垂直于結(jié)構(gòu)面方向的分力,kN/m;Ri為第i條塊滑體平行于結(jié)構(gòu)面方向的抗滑力,kN/m;Ti為第i條塊滑體在結(jié)構(gòu)面上的下滑力,kN/m;ci為第i條塊滑體結(jié)構(gòu)面上的黏結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;θi為第i計算條塊滑體結(jié)構(gòu)面的傾角,(°);li為第i計算條塊滑體滑動面的長度,m;φi為第i計算條塊滑體結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角,(°)。

按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330——2013)中規(guī)定的邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分,邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)可根據(jù)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)按表2確定[11-13]。

表2　邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分表

該邊坡自然狀態(tài)下穩(wěn)定安全系數(shù)為1.03,處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。由于規(guī)劃道路及小區(qū)住宅建設(shè),挖方量較大,該邊坡與場區(qū)規(guī)劃道路距離相隔較近,必然引起邊坡體內(nèi)應(yīng)力的重新調(diào)整,在一定程度上打破原有的巖體力學(xué)平衡狀態(tài),使得邊坡處于更加不穩(wěn)定狀態(tài),亟需采取支護措施。

3　邊坡防護設(shè)計

3.1　支護方案

在山區(qū)巖石邊坡工程中,巖石邊坡支護和加固方法的研究是邊坡治理工程的重點。目前國內(nèi)成熟的邊坡支護方法較多,例如重力式擋土墻、樁板式擋墻、錨桿(索)支護、格構(gòu)式錨桿擋墻、坡率法等,適用于不同的邊坡環(huán)境條件和邊坡安全等級[14-17]。

本邊坡為巖質(zhì)邊坡,風(fēng)化嚴(yán)重,屬Ⅴ—Ⅳ類巖體,巖體不完整—較完整。結(jié)構(gòu)面傾角多為54°和42°,節(jié)理裂隙發(fā)育,該邊坡為欠穩(wěn)定邊坡,按照工程建設(shè)要求,該邊坡支護工程采用永久性結(jié)構(gòu)支護設(shè)計方案。該邊坡安全等級為二級,采用動態(tài)設(shè)計法和信息化施工。

根據(jù)邊坡高度、工程地質(zhì)條件以及周邊環(huán)境特點,采用巖石錨噴支護方案。該方案技術(shù)先進,安全可靠,經(jīng)濟合理,能夠確保邊坡穩(wěn)定,以及邊坡使用期限內(nèi)周邊建筑物、道路及地下設(shè)施安全[18-19]。由于自身明顯的優(yōu)勢和特點,巖石錨噴支護一直是山區(qū)高邊坡常用的支護方法,并在實際工程實踐中得到了非常廣泛的應(yīng)用[20]。具體支護方案如下:

(1)錨桿采用全黏結(jié)鋼筋錨桿,長度12 m,間距2.0 m,行列式排列。實際工程中,考慮到錨桿耐久性和對巖土體加固效應(yīng)等因素,錨桿實際錨固長度可適當(dāng)加長。錨桿傾角宜為15°～25°。

(2)坡面均采用C20混凝土掛網(wǎng)噴面,鋼網(wǎng)噴射混凝土面板厚150 mm,雙網(wǎng)配筋,網(wǎng)筋采用Φ6.5@250×250鋼筋網(wǎng)片,邊坡總長度約180.0 m。支護設(shè)計斷面圖見圖2所示。

圖2　邊坡支護斷面圖

3.2　穩(wěn)定性評價

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》,邊坡穩(wěn)定性驗算時,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足表2。經(jīng)極限平衡法計算,錨桿加固后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.5,滿足規(guī)范要求。

4　排水設(shè)計

本邊坡排水溝主要有坡頂截水溝、坡底排水溝,坡面設(shè)置泄水孔。

(1)截水溝設(shè)計:坡頂截洪溝宜設(shè)置在挖方邊坡坡口(或潛在塌滑區(qū)后緣)5 m以外,并結(jié)合地形進行布設(shè)。截水溝深600 mm,溝底寬600 mm,漿砌石護坡。坡面坡度1∶1。砌筑砂漿強度等級不應(yīng)低于M7.5,塊(片)石強度等級MU30。

(2)排水溝的底寬和頂寬度800 mm,采用梯形斷面或矩形斷面,其溝底縱坡不小于0.3%。 砌筑砂漿強度等級不應(yīng)低于M7.5,塊(片)石強度等級MU30。排水溝需進行防滲處理。

(3)泄水孔設(shè)計:泄水孔布置水平、豎向間距均為3 m,泄水孔優(yōu)先設(shè)置在節(jié)理裂隙發(fā)育處;泄水孔直徑為100 mm。下傾角為10%,采用直徑90 mm的PVC管,并宜按梅花形布置。泄水孔排出的水宜引入坡腳排水溝予以排出,其最下一排的出水口高于地面或排水溝設(shè)計水位頂面200 mm。

5　邊坡監(jiān)測

本邊坡監(jiān)測等級為二級，除施工單位自行監(jiān)測外，還需由具備資質(zhì)的單位進行第三方監(jiān)測。本邊坡應(yīng)進行支護體系水平、垂直位移監(jiān)測，地面變形監(jiān)測，周圍建筑物監(jiān)測等。為了滿足本邊坡工程安全應(yīng)急需要，在邊坡周圍環(huán)境出現(xiàn)變形過大、變形速率過快等危險情況時應(yīng)采取應(yīng)急措施。

(1)本邊坡監(jiān)測工作應(yīng)立即展開，預(yù)先對自然邊坡狀態(tài)進行監(jiān)測，保存監(jiān)測數(shù)據(jù)。現(xiàn)場監(jiān)測包括施工期間的監(jiān)測和使用期的監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容主要有：坡體的水平和豎向位移，坡體地表裂縫的發(fā)生和發(fā)展，周圍建筑物的變形情況等。

(2)監(jiān)測點的布置應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范、規(guī)程要求，施工期間的監(jiān)測周期為每天一次，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)有明顯變化時，應(yīng)加密監(jiān)測。

(3)施工結(jié)束后，仍應(yīng)繼續(xù)進行監(jiān)測，監(jiān)測時間不應(yīng)小于2年。

(4)當(dāng)邊坡在監(jiān)測期間變形過大，或者變形速率過快，周圍建筑物產(chǎn)生明顯裂縫等危險情況時，應(yīng)當(dāng)立即停止施工并采取應(yīng)急措施進行處理。

6　結(jié)　論

(1)本邊坡為巖質(zhì)邊坡,風(fēng)化嚴(yán)重,屬Ⅴ—Ⅳ類巖體,巖體不完整—較完整,節(jié)理裂隙發(fā)育,邊坡與區(qū)內(nèi)建筑之間僅隔一條7 m寬的規(guī)劃路,路線以挖方的形式通過,挖方量較大,一定程度上打破原有巖體力學(xué)平衡狀態(tài),引起邊坡體內(nèi)應(yīng)力的重新調(diào)整,導(dǎo)致邊坡安全穩(wěn)定性下降。

(2)采用極限平衡法計算邊坡穩(wěn)定性,該邊坡為欠穩(wěn)定邊坡。對其采用噴錨支護結(jié)構(gòu)進行加固,加固后邊坡穩(wěn)定,確保邊坡使用期限內(nèi)人民生命財產(chǎn)安全及周邊建筑物、道路安全。

(3)通過此案例的研究分析表明,住宅區(qū)高邊坡工程問題,應(yīng)通過研究其地質(zhì)條件和巖土特征入手,運用相應(yīng)的計算方法進行穩(wěn)定性分析評價,并在此基礎(chǔ)上采用具有針對性地邊坡支護設(shè)計方法。